4.HART

1

COMUNICACIONES EN LA

INDUSTRIA.

HART

Ing. Carlos E. Cotrino B. M Sc

Equipos “Inteligentes”

•Cualquier equipo con capacidad de proceso

digital.

•Compensaciones de temperatura

•Corrección no linealidades

•Combinar varias medidas

•Reajuste

•Diagnóstico

•Simplificación de modelos.

•Configuración vía “hand held”

C.Cotrino_Ene_2013 2

2

Comunicación digital

• Usar el mismo par de hilos ya existente

• Incluir valor de la variable de proceso

• Incluir información de estado

• Eliminar conversiones AD y DA internas

• Adiciona retardo en la comunicación

• Enlaces de baja velocidad pueden causar

retardo indeseado.

• Posibilidad de conexión “multidrop”


HART (Highway Addressable Remote

Transducer) 2

• Introduced in 1989

• Proven in practice, simple design, easy to maintain and operate.

• Compatible with conventional analog instrumentation.

• Simultaneous analog and digital communication

• Option of point-to-point or multidrop operation

• Flexible data access via up to two master devices

• Supports multivariable field devices

• Response time of approx. 500 ms

• Open de-facto standard freely available to any manufacturer or user


3

HART Versions4


Protocolo HART

• Especifica:

• Forma física de la transmisión.

• Procedimiento transacciones

• Estructura del mensaje

• Formato datos

• Conjunto de comandos


4

HART2


Transmisión

• Capa física basada en Bell 202. FSK

• Velocidad: 1200 baud

• Bit 0 tono de 2200 Hz

• Bit 1 tono de 1200 Hz

• Valor promedio cero.


5

Señal FSK1


Señal FSK2


6

Espectro de frecuencia1

• BW señal digital

950 a 2500 Hz

• BW señal de

medición: 0 a 20

Hz

• Fácil separación

por filtro pasa

bajos


Niveles de señal1

• Maestro transmite señal de voltaje.

• Esclavo transmite corriente.

• Señal de corriente se convierte a voltaje


7

Conexión de entrada1,5

• El transmisor modula la señal de comunicación en

corriente, por lo tanto es necesaria una resistencia

de carga para interpretar los mensajes

• Existen dos modos de alimentación de potencia, activo y

pasivo.

• Modo activo, el instrumento o dispositivo HART recibe

localmente alimentación AC/DC.

• Modo pasivo, el sistema de control a través de sus

tarjetas de entrada/salida alimenta remotamente el

dispositivo por el mismo cable de comunicaciones


Conexión de entrada: Loop powered1

• Señal HART se

introduce y se detecta

entre A-B o entre B-C

• Maestro HART no

debe presentar carga

DC: entrada

capacitiva.

• Resistencia de carga

entre 230 Ω y 600 Ω


8

Conexiones de entrada: transmisor activo1

• Fuente activa: señal

HART se conecta

entre B-C

• Maestro HART no

debe presentar

carga DC: entrada

capacitiva.


Conexiones de salida1

• Salida control genera

o absorbe la

corriente.

• Impedancia de carga

entre 300Ω y 1000Ω

• Dispositivo HART

entre AB o entre BC


9

Ancho de banda

• Ancho de banda necesario: 2500 Hz

• La resistencia y la capacitancia equivalentes del lazo

HART deben tener una constante de tiempo (τ) de 65μS

o menos. (Pasabajos de primer orden)

• Constante RC total : 65 μs

• R = Rcarga + R cable + Rbarrera

• C = Ccarga + C cable + Cbarrera


Ancho de banda1,5


10

Cable2


Cable

• Corta distancia, cable no blindado 0.2 mm2 ,

dos hilos.

• Distancias < 1,500 m, par entorchado individual

0.2 mm² , con blindaje común.

• Distancias hasta 3,000 m, par entorchado

individual 0.5 mm2 , blindaje por cada par.

• CN = capacitance number: recomendada 5 nF

para dispositivo de campo


11

Cable1


..\Soporte\8441-0101000-Belden-datasheet-29746.pdf

Aterrizaje

• En particular para instrumentos HART se debe

aterrizar el lazo de corriente únicamente en un

punto!

• No debe ser conectado a la carcasa del

instrumento a menos que esta este aislada.

• (Traditional grounding methods for 4-20 mA

loops and HART have the shield of the cable

connected to ground at one end only)4


../Soporte/8441-0101000-Belden-datasheet-29746.pdf













12

Aterrizaje4

• Current thinking as outlined in IEC 61000-5-2

Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5 Installation

and mitigation guidelines - Section 2: Earthing and

cabling, recommends grounding the shield at each end

for point-to-point and at every point for multi-drop.

• This provides the best protection against EMC and for

safety as well.

• This method assumes that all points are on the same

ground (i.e. use an equipotential grounding grid).


Aterrizaje4


13

Seguridad intrínseca2

• Ensure that a field device has sufficient voltage

to operate, taking into account zener barrier

resistance, the load resistor, and any cable

resistance.

• Additional requirements: • The voltage available for the transmitter must be reduced by

an additional 0.7 V to allow headroom for the HART

communication signal and yet not approach the zener barrier

conduction voltage.

• The load resistor must be at least 230 Ω (typically 250 Ω).



• Depending on the lift‐off voltage of the

transmitter (typically 10–12 V), these two

requirements can be difficult to achieve.

• The loop must be designed to work up to 22 mA

(not just 20 mA) to communicate with a field

device that is reporting failure by an upscale,

over‐range current.

• The series resistance for the same zener barrier

may be as high as 340 Ω.


14


• Available transmitter voltage = Power Supply

Voltage – (Zener Barrier Resistance + Sense

Resistance) × Operating Current (mA).

• Example: 26.0 V – (340 Ω + 250 Ω) × 22mA =

13.0 V

• Any cable resistance can be added as a series

resistance and will reduce the voltage even

further



• In addition, the power supply to the zener

barrier must also be set lower than the

zener barrier conduction voltage.

• For example, a 28 V, 300 Ω zener barrier

would typically be used with a 26 V power

supply.


15



R de la barrera se debe tener en cuenta para calculo de C.

Capa de enlace5


16

Capa de enlace

• Establece la estructura de los paquetes de

mensajes, detecta errores de tramas y de

bits.

• Binario

• Orientado a bytes (byte-oriented

protocol: a communications protocol that

uses control codes made up of full bytes)

• Serial


Protocolo HART

• Esquema de comunicación: Maestro – Esclavo.

• Dispositivos Maestros: Terminales portátiles,

Estaciones de trabajo, Consolas de sistemas de

control.

• Esclavos HART: sensores, transmisores,

actuadores.

• Pueden existir dos maestros simultáneamente

• Temporización define cuando cada maestro

inicia comunicaciones.


17

Maestro - esclavo


Dos maestros


18

Enlace: dato5

• Arranque + 8 bits

datos + 1 bit paridad

impar + parada

• Do = LSB primero (en

tiempo)

• No puede haber gaps

entre caracteres


Enlace: mensaje5


19

Enlace: mensaje

• HART Rev 5: telegrama largo.

• Preámbulo: 3 o más caracteres FF H

para sincronizar participantes y

compensar pequeños retardos.

• Comando #0: cuantos caracteres acepta

el esclavo.

• Comando #59 cuantos caracteres debe

usar el esclavo en respuesta.


Enlace: delimitador de inicio5

• Carácter o Delimitador de

arranque: (1 byte) indica

el comienzo real del

mensaje; quien está

enviando datos y que

formato se usa.


20

Enlace: dirección5

• Campo de dirección:

Formato corto de un byte.

Un bit para identificar

maestro, otro para

identificar el modo de

transmisión y cuatro bits

para las direcciones (1 a

15)

• Está definido, pero no en

uso, un formato largo de 5

bytes


Enlace: dirección1

• Uno cualquiera de los dos maestros posibles

inicia la comunicación.

• Esclavos solamente pueden responder a los

comandos del maestro.

• Acceso por tiempo fijo desde cada maestro.

• Identificador único: 38 bits incluye

“Manufacturer Code (6) + Device Type

Code(8)+ Individual device Identification Code

(24)”.


21

Enlace: dirección1

• Modo “broadcast”: comandos HART enviados a todos los dispositivos esclavos simultáneamente. Últimos 38 bits en 0.

• Maestro indica que esclavo debe responder.

• Modo “burst”: esclavos envían mensajes alternados a cada maestro con intervalos de 75 ms. (4 mensajes por segundo)


Enlace: comando1

• Entero en el rango 0 a 253 (FDhex)

• Tres tipos de Comando HART: Universal,

Práctica Común y Específico.

• Significado de los comandos depende de

la capa 7.


22

Enlace: conteo bits y estatus1

• Conteo de bytes: 8 bits, número de

bytes en secciones de estado y dato.

• No incluye byte de chequeo

• Este dato permite identificar el mensaje y

aplicar el chequeo de error.

• Estatus: 2 bytes. Transmitido sólo por el

esclavo para indicar recepción del

mensaje.


Enlace: datos1

• Datos: se pueden transmitir como enteros no

signados; números de punto flotante o

caracteres ASCII.

• HART 6: comandos hasta de 33 bytes de datos.

Transferencia de bloques usa campos de datos

más largos.

• Máxima longitud: 253 bytes

• Tiempo de la transacción depende de la

longitud de los datos.


23

Enlace: chequeo1

• Paridad longitudinal o “Exclusive or” de todos

los bytes precedentes, empezando en en el

carácter “Start”

• Es adicional al bit de chequeo de paridad de

cada byte individual.

• Byte de chequeo contiene información para la

paridad de todos los bytes del telegrama.

• Distancia Hamming del protocolo HART: 4.


Estado de los dispositivos y

comunicaciones

• El estado de un dispositivo en campo es

enviado en el campo STATUS de todas las

tramas de respuesta generadas por cualquier

comando.

• Existen comando especializados para leer el

diagnostico del dispositivo: • Device-specific status utiliza el comando #0

• Extended field Device status utiliza el comando #0, #9, #48

• Device variable status utiliza el comando #9


24

Estado de los dispositivos y

comunicaciones5


Errores en HART

• Error de comunicaciones: Cuando se reporta

algún tipo de error en las comunicaciones, no se

envía ninguna información en el campo de

DATA. Bit 7=1 Error de comunicaciones

• Error de ejecución de comando - Comandos de

respuesta.

• Errores y fallas del dispositivo de campo –

Status: se reporta únicamente si no hay error en

las comunicaciones o


25

Estado de señales análogas5


Capa enlace


26

Capa de Aplicación5


Capa de Aplicación: Comandos

• 1 byte.

• Entero entre 0 y 253 (FDhex)

• Comando 31 (1F) indica comando extendido.

• Tipos:

• Read: no cambia dato, respuesta con

datos solicitados

• Write: nuevo valor para almacenar en

esclavo

• Comando: orden para esclavo


27

Capa de Aplicación

• Comandos predefinidos permiten al maestro dar

instrucciones o enviar datos y mensajes al

esclavo: “set points”, valores y parámetros

actuales, iniciar diagnósticos etc.

• El esclavo responde enviando un telegrama de

reconocimiento, que puede contener el estado

del dispositivo y/o la información solicitada.


Capa de Aplicación

• Comandos universales: mandatorios en todos

los dispositivos HART. (0 a 30)

• Comandos de la práctica común: comunes a

muchos dispositivos. (32 a 121)

• Comandos “no públicos” (122 a 126)

• Comandos específicos para cada dispositivo.

(128 a 253)

• Comandos para familia de dispositivos (1024 a

33791)


28

Capa de Aplicación3


Comandos Universales1


29

Comandos Práctica común1


Comando 333


30

Comando no públicos

• #122 a # 126

• Usado para información del fabricante

durante ensamble del dispositivo: SN

• Protegidos por “password”


Comandos específicos1


31

Ejemplo: pregunta utilizando el

comando "Read PV“5


Ejemplo: respuesta al comando "Read

PV“5


32

Familia de dispositivos1

• HART 6

• Conjunto común de comandos para

calibración y ajuste de instrumentos con

tipos específicos de sensores.

• Funcionalidades comunes (PID)

• Mejoran interoperbilidad entre equipos de

diferentes fabricantes.


Familia de dispositivos1


33

Aplicación: variables

• Variables del dispositivo

• Variables dinámicas

• Múltiples salidas análogas

• Parámetros de configuración

• Información del dispositivo

• Unidades de ingeniería

• Estatus del dispositivo


Aplicación: datos

• Enteros

• Punto flotante: IEEE 754.

• Precisión sencilla, 32 bits: 1 signo, 8

exponente, 23 mantisa

• Alfa-numéricos

• Enumerados (Códigos)

• Bit

• Fecha


34

IEEE 7545

• Exponente (E) y la

mantisa (M).

• El número representado

es M*2E (Hex), o sea M

veces 2 elevado al valor

E).

• El primer bit se usa para

indicar el signo

(1=negativo)

• 8 bits como exponentes y

23 bits de mantisa.

• Se pueden representar

números desde 10 -38

hasta 10 +38 con una

resolución de 1 en 107

equivalente a 0.00001%

del valor.


IEEE 7545


S es el signo, E es el exponente

y M es la fracción de la mantisa.

http://www.h-schmidt.net/FloatConverter/IEEE754.html

En HART, los bytes son enviados desde el más significativo al menos

significativo.




35

Usuario : DDL

• El uso de un protocolo común de comunicaciones no es

suficiente para asegurar una buena comunicación, ya

que cada instrumento posee características específicas

e individuales.

• El protocolo no permite acceder a cada una de estas

características.

• Esto significa que cada se requiere una actualización de

software para acceder a las funciones del nuevo

dispositivo de campo, lo cual implica tiempo y costos

adicionales.


Usuario : DDL

• Intercambiabilidad implica usar únicamente los

comandos universales y de práctica común.

• Más información del dispositivo o

funcionalidades especiales no se pueden

manipular con los comandos anteriores.

• DDL: “Device Description language” fue

desarrollado para resolver estos problemas.


36

Usuario : DDL

• DDL permite al fabricante describir:

• Los atributos e información adicional del

dispositivo.

• Todos los estados operacionales del dispositivo.

• Todos los comandos y parámetros del

dispositivo.

• Toda la estructura del menú de las operaciones

y funciones del dispositivo.


Usuario : DDL3


37

Usuario : DDL3


Usuario2


38

Aplicaciones HART3


Aplicación de rango dividido

Equipos: Multiplexores

• Conecta varios esclavos a un solo

maestro.

• Es maestro para los lazos HART

• Es esclavo para el maestro de toda la red.

• Cuidado con la velocidad de respuesta!!

• El número de dispositivos depende de la

capacidad del mux.


39

Multiplexores

• La dirección del dispositivo es cero

• El mux conecta al maestro con solamente

a un esclavo a la vez.

• El número de dispositivos depende de la

capacidad del mux.

• Cuidado con la velocidad de respuesta!!


Multiplexores


40

Multiplexores


Multidrop

• Modo “Multidrop” para transmisores.

• Sólo comunicación digital.

• Valor digital de la variable de proceso (IEEE 754

FP)

• Corriente : menos de 4 mA y sólo para

energizar el transmisor.

• Hasta 15 transmisores

• No se emplea para actuadores


41

Multidrop4

• Update rate is very slow

• You have to design the network.

• For a multi-drop of two devices, the

update rate will be once per second.

• As the number increases, the update rate

increases too.

• This is not acceptable in time critical

applications


Multidrop4

• To design a HART multi-drop network, you have

to know:

• electrical characteristics of the wire being used

• start-up current of all devices

• steady state current of all devices

• minimum start-up voltage of all devices

• Type of power source of devices used (loop

powered or active source)


42

Multidrop4


Multidrop4

• Calculating the loop resistance and the RC value of the network is

going to be different depending on the mix of instruments.

• Sizing the HART (or Load) resistor is critical.

• The larger the value, the more noise immunity the network will

have.

• However, you have to:

• Ensure that the RC is not too large or you will not have HART

communications

• Verify that the voltage drop over the HART resistor is not too

large during startup. If the voltage drop is too large then the

instruments will not start up.


43

Multidrop1


Multidrop1

• Especificaciones de impedancia


44

Multidrop4

• Note: When using SIMATIC PDM on a

HART multi-drop network, only one

instrument can be viewed at any one time.


Referencias

1. R. Bowden. HART Technical Introduction and Integrators Guide.

Austin: HCF. 2007

2. HART Application Guide. HART Communication Foundation. 2005

3. SAMSON HART Communications. Technical Information. 1999

4. Siemens. Working with HART networks. APPLICATION GUIDE

AG012712

5. S.D. González. Tutorial para el aprendizaje del protocolo de

comunicaciones Industriales HART. Proyecto de Grado. Depto.

Ing. Electrónica. Facultad de Ingeniería. Pontificia Universidad

Javeriana. BOGOTÀ, 2008


45

Referencias

6. Endress + Hauser. RB223T Barrier, 1 or 2-channel,

without power supply Technical Datasheet. TD

059E/24/ae/10.09


4.HART

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